【導(dǎo)讀】減少二氧化碳排放已成為全球目標(biāo)，并帶動(dòng)了許多新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。需要提高整個(gè)動(dòng)力鏈的效率和新的能源存儲(chǔ)方法。
為了用可再生能源替代化石燃料，可以使用太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能以及地?zé)崮堋ｋm然生物質(zhì)能和地?zé)崮芴峁┖愣ǖ哪茉串a(chǎn)量，但太陽(yáng)、風(fēng)或波浪產(chǎn)生的能源卻并非如此。白天產(chǎn)生的太陽(yáng)能必須儲(chǔ)存起來(lái)供夜間使用。這同樣適用于風(fēng)能，因?yàn)闇u輪機(jī)在無(wú)風(fēng)時(shí)不再提供能量。
所有這些新技術(shù)都需要電子控制電路，而電子控制電路需要從各種來(lái)源供電。下面的文章將解釋挑戰(zhàn)和解決方案。
增長(zhǎng)的市場(chǎng)之一是電動(dòng)汽車(chē)，例如，歐盟已決定 2035 年之后不得銷(xiāo)售配備傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的新車(chē)。其他地區(qū)也已決定類(lèi)似的禁令，而向電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)變將需要許多 由全球不同交流電網(wǎng)供電的公共和私人充電站（圖 1）。
全球交流電源電壓范圍為 85Vac 至 264Vac，當(dāng)今許多電源都可以在此整個(gè)范圍內(nèi)工作。
能源應(yīng)用中的另一個(gè)挑戰(zhàn)來(lái)自以下事實(shí)：充電器或壁箱等設(shè)備直接連接到保險(xiǎn)絲面板。這意味著它們比通過(guò)電纜和插頭連接到插座的設(shè)備更容易受到電網(wǎng)瞬變的影響，因此必須符合具有 4kVac 隔離的過(guò)電壓類(lèi)別 III (OCV III)（圖 2）。這也適用于充電器或壁箱內(nèi)使用的輔助電源。
這些系統(tǒng)還必須能夠容忍電源接線或中性線的故障。安裝過(guò)程中意外連接的相位，或者中性線（即使是在附近）的斷路，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡，從而導(dǎo)致更高的電壓。因此，會(huì)監(jiān)控電源輸入電壓，以便在發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)斷開(kāi)昂貴的高功率區(qū)塊。
該監(jiān)控電路必須在所有情況下都能工作，因此 P-Duke 提供了一系列小型 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，不僅符合 OVC III 標(biāo)準(zhǔn)，而且還可以在 85 至 530Vac 的寬電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。即使某個(gè)相錯(cuò)誤地連接到中性線，輔助電源和監(jiān)控電路也會(huì)工作并可以保護(hù)功率級(jí)。
現(xiàn)代系統(tǒng)應(yīng)該準(zhǔn)備好集成到智能電網(wǎng)或智能家居環(huán)境中。這允許控制系統(tǒng)以匹配電網(wǎng)中電力的實(shí)際可用性。當(dāng)有剩余能量時(shí)，汽車(chē)電池可以充電，并充當(dāng)穩(wěn)定電網(wǎng)的能量緩沖器。高能耗的家用電器只有在有足夠的能源時(shí)才會(huì)開(kāi)啟。
這意味著需要更多的相間來(lái)與電網(wǎng)或智能家居控制器進(jìn)行通信。相間、顯示器、觸摸板或繼電器的電源電壓范圍為 3.3V 至 24V，并且可以通過(guò)小型隔離或非隔離轉(zhuǎn)換器從輔助電源電壓總線生成（圖 3）。
正如文章開(kāi)頭提到的，由于能源流動(dòng)的非恒定性，可再生能源的整合還需要擴(kuò)大存儲(chǔ)選擇。如今，水力發(fā)電廠已用于此目的，在能量過(guò)剩時(shí)將水抽回水庫(kù)。然而，它們的容量是有限的，存儲(chǔ)能量最明顯的方法是使用電池。
鉛酸電池已經(jīng)使用了幾十年，但重量重，能量密度相對(duì)較低，充電過(guò)程緩慢，只能充電約300-600次。
與鉛酸電池相比，鋰電池有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，它們不僅比鉛酸電池更輕、更小，而且充電速度更快，可以達(dá)到數(shù)千個(gè)充電周期。這使得它們非常適合在移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)中使用。
但他們需要的材料的可用性有限，而且其中一些材料是在有問(wèn)題的條件下獲得的。每千瓦時(shí)的容量，典型的電動(dòng)汽車(chē)電池不僅需要 120 - 180 克鋰，還需要一些其他可用量有限的材料。根據(jù)德國(guó)汽車(chē)俱樂(lè)部ADAC的研究，一輛汽車(chē)的50kWh電池含有約4公斤鋰、11公斤錳、12公斤鈷、12公斤鎳和33公斤石墨。
為了將機(jī)動(dòng)性從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，未來(lái)將需要數(shù)十萬(wàn)噸這些材料。回收這種材料的方法很復(fù)雜，據(jù)專(zhuān)家稱(chēng)，部分方法仍處于開(kāi)發(fā)或測(cè)試階段。因此，人們正在尋找替代方案，不僅在電池技術(shù)方面，而且在電能存儲(chǔ)方式方面。
您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)基于鋁-硫、鈉離子、碳-銅或鐵-氧的電池。目前尚未面向大眾市場(chǎng)推出，這些是使用大量可用材料的選擇，而且開(kāi)采問(wèn)題也較少。
對(duì)于非移動(dòng)應(yīng)用，電池的尺寸和重量也不是那么重要。在風(fēng)力渦輪機(jī)塔的底部，即使是較大的電池也有足夠的空間。當(dāng)電網(wǎng)能量過(guò)剩時(shí)，渦輪機(jī)產(chǎn)生的能量可以?xún)?chǔ)存在那里，并在能量短缺時(shí)饋入電網(wǎng)。通常，能源只需在電網(wǎng)中臨時(shí)存儲(chǔ) 12 至 24 小時(shí)。
但每種電池技術(shù)都有不同的電壓，如果有人想要設(shè)計(jì)與應(yīng)用中使用的不同電池技術(shù)和電池?cái)?shù)量兼容的面向未來(lái)的系統(tǒng)，這是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。因此，P-Duke 等電源制造商提供輸入電壓范圍為 2:1 至 12:1 的轉(zhuǎn)換器。通過(guò)這些轉(zhuǎn)換器，可以涵蓋許多不同的電池技術(shù)。
超級(jí)電容器是電池的一種有趣的替代品，因?yàn)樗鼈兙哂懈L(zhǎng)的使用壽命、高達(dá) 100 萬(wàn)次的充電周期和非常高的充電電流。與電池不同，超級(jí)電容器不會(huì)因深度放電而損壞。它們非常適合電力需求少于 1-2 分鐘但充電周期次數(shù)非常多的應(yīng)用。為什么不在倉(cāng)庫(kù)中的運(yùn)輸機(jī)器人上使用超級(jí)電容器，因?yàn)樗荒芏叹嚯x行駛，然后可以在幾秒鐘內(nèi)充電。與電池不同，超級(jí)電容器的輸出電壓很大程度上取決于充電狀態(tài)。由于大多數(shù)電子負(fù)載需要穩(wěn)定的電壓，因此需要具有非常寬輸入范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
還有許多其他方式來(lái)儲(chǔ)存能量。通過(guò)電解可以從空氣中獲得氫氣。在進(jìn)一步的工藝步驟中，可以生產(chǎn)天然氣的主要成分甲烷。這兩種氣體都可以?xún)?chǔ)存、運(yùn)輸和用作燃料，例如在燃料電池中，這是另一種新興技術(shù)。如今，甚至無(wú)人機(jī)也在使用燃料電池。
存儲(chǔ)機(jī)械能供以后使用的其他方法是氣壓和飛輪存儲(chǔ)裝置。15 多年前，美國(guó)的一家初創(chuàng)公司希望將壓縮空氣用于風(fēng)力渦輪機(jī)，但由于解決方案過(guò)于復(fù)雜且效率低下而從未實(shí)現(xiàn)。但仍有一些項(xiàng)目致力于將風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的多余能量?jī)?chǔ)存在壓縮空氣中。
1950年，第一批陀螺巴士上市，能夠回收制動(dòng)能量，但每4-6公里需要一個(gè)充電站，不適合現(xiàn)代公共交通。如今，飛輪存儲(chǔ)設(shè)備主要用于短時(shí)間提供高功率，例如穩(wěn)定電網(wǎng)。
這些只是幾個(gè)例子； 能源市場(chǎng)很復(fù)雜，有數(shù)千種選擇，幾乎每天都會(huì)出現(xiàn)新的想法和技術(shù)，每種想法和技術(shù)都對(duì)所需的電源提出了不同的要求。此外，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能、廣泛使用，現(xiàn)代系統(tǒng)必須相互通信。所有這些系統(tǒng)都需要從各種來(lái)源產(chǎn)生穩(wěn)壓電源電壓。
交流電網(wǎng)電壓水平和瞬態(tài)規(guī)范已設(shè)定多年，P-DUKE 等公司提供各種滿足各種要求的交流/直流電源解決方案（圖 4，P-DUKE 的交流/直流解決方案）
對(duì)于直流電源來(lái)說(shuō)，情況更加復(fù)雜，因?yàn)樾孪到y(tǒng)預(yù)計(jì)將進(jìn)入市場(chǎng)。但今天已有解決方案。在電信和鐵路市場(chǎng)，不同的電池電壓已經(jīng)使用了幾十年。這些市場(chǎng)中的系統(tǒng)制造商希望提供一種解決方案，因此 P-DUKE 等電源制造商設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器系列甚至涵蓋鐵路應(yīng)用中 16V 至 160V 的極寬輸入范圍，并實(shí)現(xiàn)高達(dá) 200W 的功率水平。這些轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓范圍為 5V 至 53V，可用于所有類(lèi)型的能源市場(chǎng)應(yīng)用中的多種不同電池電壓。
LAN、WLAN、GSM 和其他通信模塊、安全和監(jiān)控設(shè)備、顯示器、觸摸面板或繼電器，它們都需要穩(wěn)壓電源電壓，無(wú)論是否與內(nèi)部控制電路隔離。憑借廣泛的轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該可以輕松找到即用型解決方案。（圖6）
所有這些轉(zhuǎn)換器模塊都易于部署，因此不僅在設(shè)計(jì)時(shí)間而且在系統(tǒng)輸入、輸出或電源規(guī)格稍后發(fā)生變化時(shí)都可以提供即插即用的解決方案。這使得每一個(gè)設(shè)計(jì)都面向未來(lái)，并為新興市場(chǎng)做好準(zhǔn)備，該市場(chǎng)擁有許多新機(jī)遇，但也存在許多未知數(shù)。
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